Tratamento sequencial de boretação em caixa e nitretação por plasma em aço IF

Abstract

Resumo: Diversas solicitações impõem a necessidade de alterações das propriedades de superfície em componentes mecânicos de aços para atender requisitos como resistência ao desgaste e à corrosão. Técnicas consolidadas de revestimentos ou por modificações físico-químicas de superfícies oferecem diversas soluções. Em processos como CVD, magnetron sputtering ou implantação iônica é possível sintetizar o nitreto de boro, que é um composto em que dependendo de sua estrutura pode-se obter alta dureza ou uso como lubrificante sólido. Este ponto demonstra a potencialidade desse composto para aplicações tribológicas. Nesse contexto, esta tese trata do estudo do tratamento sequencial de boretação em caixa e nitretação por plasma em amostras de aço IF (intersticial free) com objetivo de formar nitretos de boro. Inicialmente uma boretação em caixa foi realizada à 800 °C durante quatro horas com formação de camada bifásica Fe2B e FeB. Posteriormente, as amostras boretadas foram nitretadas por plasma em temperaturas de 400, 500, 600 e 700 °C, com tempo de tratamento (4 horas), pressão de 800 Pa, tensão de trabalho de -700 V e fluxo gasoso de 200 sccm. A mistura gasosa usada para nitretação consiste em 20% N2 + 20% H2 + 60% Ar. As camadas tratadas foram caracterizadas antes e após o processo de nitretação. A análise microestrutural foi feita por meio de microscopia ótica, eletrônica de varredura e difração de raiosX. Análises químicas foram realizadas por espectroscopia de energia dispersiva de raios X, espectroscopia de dispersão por comprimento de onda de raios X e infravermelho por transformada de Fourier. Também foram feitas medições de microdurezas e ensaio de riscamento para avaliar a resistência mecânica e ensaios de OCP para entender a estabilidade da camada tratada e indiretamente informar sobre sua composição. Os resultados mostraram que após o tratamento de nitretação por plasma em temperaturas de 400 e 500 °C uma camada contendo nitreto de ferro, a-Fe e nitreto de boro provavelmente amorfo se forma sobre as camadas boretadas. Com o acréscimo na temperatura para 600 e 700 °C há forte indício de formação da fase nitreto de boro sobre a superfície da camada boretada. Essas alterações são indicativos de reações termoquímicas entre os elementos ferro, boro e nitrogênio que, conforme a temperatura de tratamento leva à formação de nitretos de ferro, a-Fe e nitretos de boro ou de ambos. Dessa forma, a temperatura associada aos eventos do tratamento por plasma proporciona diferentes viéses de transformação da camada boretada, com variação na microestrutura da camada transformada. Com isto pode-se mostrar a viabilidade do tratamento proposto como opção de alterações de camadas boretadas, mantendo dureza superior à apresentada pelo material base. Os testes preliminares também sugerem que essa camada pode apresentar aplicação tribológica como lubrificante sólido, possibilitando que componentes mecânicos tratados por plasma adquiram essas características. Palavras-chave: Boretação em caixa, Nitretação por plasma, Nitreto de boro, Comportamento tribológico.

Abstract: Several requests impose the need of changing in the surface properties of steel mechanicals components to achieve requirements such as wear and corrosion resistance. Consolidated coating techniques or physical-chemical modifications of surfaces offer several solutions. In processes such as CVD, magnetron sputtering or ion implantation it is possible to synthesize boron nitride, which is a compound that depending on its structure can be obtained high hardness or application as a solid lubricant. This point demonstrates the potential of this compound for tribological applications. In this context, this thesis study is about a sequential treatment of pack bonding and plasma nitriding in IF (interstitial free) samples steel with the objective of forming boron nitrides. Initially a pack boriding was carried out at 800 °C for four hours with biphasic Fe2B and FeB layer formation. Subsequently, the borided samples were treated in nitrogen plasma at temperatures of 400, 500, 600 and 700 °C with treatment time (4 hours), 800 Pa pressure, -700 V DC peak voltage and 200 seem gas flow. The gas mixture used for nitriding consists of 20% N2 + 20% H2 + 60% Ar. The treated layers were characterized before and after the nitriding process. Microstructural analysis was performed using an optical and a scanning electron microscopy and X ray diffraction. Chemicals analysis by X ray dispersive energy, X ray diffraction and Fourier transform infrared spectroscopy. Microhardness measurements and scratch test were also were made to evaluate mechanical strength and OCP tests to understanding the treated layer stability and to report indirectly its composition. The results showed that after the treatment of plasma nitriding at temperatures of 400 and 500 °C a layer containing iron nitride, a-Fe and probably amorphous boron nitride formed on the boron layers. With the temperature increase to 600 and 700 °C there is strong evidence of boron nitride phase formation on boron layer surface. These changes are indicative of thermochemical reactions between iron, boron and nitrogen elements that, depending on the treatment temperature, lead to the formation of iron nitrides, a-Fe and boron nitrides or both. Thus, the temperature associated with the events of plasma treatment provides different transformation in borided layer, with variation in microstructure of the transformed layer. Therefore, it can be shown the feasibility of the proposed treatment as an option of changes in borided layers, maintaining higher hardness than that base material. Preliminary tests also suggest that this layer may exhibit tribological application as solid lubricant, enabling plasma-treated mechanical components to acquire these characteristics. Keywords: Pack boriding, Plasma nitriding, Boron nitride, Tribological behavior.